气候变暖对冬小麦徐麦33产量和品质影响

宋艳玲 周广胜 郭建平 董 静 潘亚茹 张仁祖 张利华 吴世明 贾 红 宋 强 李 轲 陈 耿 徐金霞

1)(中国气象科学研究院, 北京 100081) 2)(南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京 210044) 3)(中国气象局与中国农业大学农业应对气候变化联合实验室, 北京 100081) 4)(内蒙古自治区呼和浩特市气象局, 呼和浩特 010000) 5)(江苏省徐州市农业气象试验站, 徐州 210004) 6)(四川省气象局, 成都 610072)

引 言

小麦是重要粮食作物,全世界约40%的人口以小麦为主要粮食,小麦是人体主要营养来源之一,小麦蛋白质含量在常见粮食作物中最高,并含有多种氨基酸,如赖氨酸、异亮氨酸等[1],因此小麦营养价值的波动对人体健康具有重要意义。我国是世界上最大的冬小麦生产和消费国,1978—2022年我国小麦总产量增加2.5倍[2]。2021年小麦种植面积为2.4×107hm2,总产量为1.37×108t[2],约占全球小麦总产量的15%[3]。

1990—2018年我国青海瓦里关大气本底站二氧化碳浓度明显上升,2018年该站二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的年平均浓度分别达到(409.4±0.3)×10-6、(1923±2)×10-9和(331.4±0.1)×10-9,与北半球中纬度地区平均浓度大体相当[4]。受温室气体持续增加影响,全球平均气温自20世纪70年代显著升高,由此引发的气候变化问题受到广泛关注。联合国政府间气候变化专门委员会评估报告指出气候系统变暖是毋庸置疑的[5-6]。近几十年观测到的气候变化是前所未有的。1901—2019年亚洲陆地表面平均气温上升1.65℃,1951—2019年亚洲陆地表面平均气温呈显著上升趋势,速率为0.23℃·(10 a)-1[4]。我国《第四次气候变化国家评估报告》显示:我国最新百年器测气候数据观测的我国陆地区域平均气温升高幅度大于全球水平,1901—2019年我国平均气温呈上升趋势,并伴随明显的年代际波动,年平均气温上升1.27℃[4]。

冬小麦产量和品质受遗传及气象等因素影响,气象条件(如气温、降水量和日照时数)影响冬小麦生长发育的物理、化学和生物过程。冬小麦是喜凉作物,对气候变化较为敏感,温度影响冬小麦发育进程。在农业气象方面,有关灾害机理[7-14]、灾害指数[15-18]和气候变化影响[19-23]已开展大量研究。研究表明:气候变暖使得冬小麦播种期和出苗期延迟,返青期和成熟期提前,小麦营养生长阶段缩短,生殖生长阶段延长[24-25],气候变化对小麦产量的影响总体为负效应[26-30]。

尽管有关气候变化对冬小麦生长发育和产量的影响已开展大量研究,但气候变化对冬小麦籽粒品质影响却鲜见报道。本研究基于冬小麦主产区江苏徐州农业气象试验站连续5年开展的大田科学试验,研究气候变暖对当地种植的半冬性冬小麦品种徐麦33的产量结构和小麦籽粒品质的影响。

1 试验方法与数据

1.1 试验区概况

徐州农业气象试验站位于江苏省徐州市鼓楼区九里山前,海拔高度为41.2 m,属于暖温带大陆性半湿润季风气候,年平均气温为15.3℃,降水量约为840 mm,地形由平原和山丘岗地两部分组成,以平原为主。

1.2 试验设计

为了研究气候变化对冬小麦半冬性品种产量结构和籽粒品质的影响,2017—2022年采用当地冬小麦主栽品种徐麦33开展试验,将冬小麦播期分为4期,设置5组试验。试验区域面积为20 m2,采用拉丁方设计排列,各试验区耕作方式、灌溉等田间管理措施与当地大田一致,播种量与当地正常播种期的播种量保持一致。

第1播期:较大田冬小麦正常播期早10 d,2017年10月10日播种,2018年9月30日播种,2019年9月30日播种,2020年9月30日播种,2021年9月30日播种。

第2播期:与大田冬小麦播期一致,2017年10月20日播种,2018年10月10日播种,2019年10月10日播种,2020年10月10日播种,2021年10月10日播种。

第3播期:较大田冬小麦正常播期偏晚10 d,2017年10月30日播种,2018年10月20日播种,2019年10月20日播种,2020年10月20日播种,2021年10月20日播种。

第4播期:较大田冬小麦正常播期偏晚20 d,2017年11月9日播种,2018年10月30日播种,2019年10月30日播种,2020年10月30日播种,2021年10月30日播种。

1.3 观测要素

自冬小麦播种开始,对冬小麦各个发育期进行观测,包括播种、出苗、分蘖、越冬开始、返青、拔节、孕穗、抽穗、开花、乳熟、成熟期普遍期日期,观测方法按农业气象观测规范[31]进行。

在冬小麦成熟期对产量进行测定,每个冬小麦试验区连续取20穗,观测小穗数、穗粒数、千粒重等,千粒重为晾晒风干后称取的千粒重,每个播期3个重复分别测定,求取平均值。

气象要素包括冬小麦从播种期到成熟期的逐日平均气温、最高气温、最低气温、降水量、日照时数等。

1.4 蛋白质测定方法

籽粒蛋白质、淀粉、脂肪含量等品质性状测定参照国标法测定,淀粉含量采用国家标准酶水解法测定,氨基酸检测采用异硫氰酸苯酯(PITC)法。蛋白质和脂肪测定方法如下。

1.4.1 蛋白质测定方法

蛋白质含量采用国家标准(GB 5009.5—2016)[32]凯式定氮法测定:

(1)

式(1)中,X为试样中蛋白质含量(单位:g·(100 g)-1),V1为试样消耗盐酸标准滴定溶液体积(单位:mL),V2为空白试剂消耗盐酸标准滴定溶液体积(单位:mL),V3为吸取消化液体积(单位:mL),c为盐酸标准滴定溶液浓度(单位:mol·L-1),m为称样量(单位:g),f为氮换算为蛋白质的系数。

1.4.2 脂肪测定方法

脂肪含量采用国家标准(GB 5009.6—2016)[33]索氏抽提法测定:

(2)

式(2)中,F为试样中脂肪含量(单位:g·(100 g)-1),m1为恒重后接收瓶和脂肪的质量(单位:g),m0为接收瓶的质量(单位:g),m2为试样的质量(单位:g)。

1.5 热害指数

一般冬小麦10月播种,12月进入越冬期,4月进入孕穗开花期,5月底至6月初进入成熟收获期,冬小麦在开花期到成熟期经常遭受高温热害、干热风和干旱的影响[10,34]。本文试验仅考虑气温升高(包括高温热害和低温)影响,未考虑其他灾害影响。本文采用日最高气温30℃作为冬小麦开花至成熟期高温热害临界温度,热害指数(IKDD)作为冬小麦遭受高温热害指数。热害指数计算方法[35]:

IKDD=∑JKDD,

(3)

(4)

其中,IKDD为冬小麦热害指数(单位:℃·d),JKDD为逐日冬小麦热害指数(单位:℃),Thigh为冬小麦临界温度(取30℃),Tmax,d为日最高气温(单位:℃)。

2 结果分析

2.1 冬小麦不同播期气候环境变化

试验1冬小麦4个播期播种时间分别是2017年的10月10日、10月20日、10月30日和11月9日,冬小麦成熟收获期分别是2018年5月26日、5月28日、5月28日和5月31日。试验2冬小麦4个播期播种时间分别是2018年的9月30日、10月10日、10月20日和10月30日,冬小麦成熟收获期分别是2019年5月31日、6月2日、6月2日和6月4 日。试验3、试验4、试验5冬小麦播种期与2018-2019年度冬小麦播种期相同,冬小麦成熟期在5月底到6月初。除2019年(试验3)冬季偏暖,无越冬期,其他年份冬小麦均有越冬期。有关5组试验的详细信息见表1。

表1 2017—2022年江苏徐州农业气象试验站冬小麦播种试验生长发育期和气象条件Table 1 Growing season and meteorological condition of winter wheat for sowing date experiments at Xuzhou Agro-meteorological Station of Jiangshu during 2017-2022

由表1可知,试验3冬小麦从播种期到成熟期平均气温最高,第1播期平均气温为11.2℃,第2播期平均气温为10.9℃,第3播期平均气温为10.8℃,第4播期平均气温也为10.8℃。试验2第4播期冬小麦生长期平均气温最低,为9.5℃。以试验2第4播期为基准,5年大田科学试验冬小麦不同播期升温幅度为0.1～1.7℃。第1播期冬小麦从播种期到成熟期的积温最高,第2播期、第3播期和第4播期积温持续下降,但各播期降水量差异不大,年际波动大。大多数年份第1播期日照时数多,其他播期日照时数持续下降。

2.2 气候变化对冬小麦产量结构的影响

冬小麦产量受冬小麦品种、土壤、生产措施和气候条件的影响,本研究5年大田试验每年4个播期,冬小麦品种均为徐麦33,试验地相同,土壤物理化学性质相同,生产措施相同,因此冬小麦产量结构主要受气象条件影响,特别是气温影响。冬小麦产量构成因子包括穗粒数、千粒重和冬小麦密度,试验密度相同,气候条件主要影响冬小麦穗粒数和千粒重。

图1是冬小麦生长季平均气温与穗粒数和千粒重的关系。由图1可见,气候变暖可对半冬性冬小麦品种产量结构造成不利影响,使穗粒数明显减少,但对千粒重影响不显著。随着平均气温升高,冬小麦穗粒数呈显著减少趋势,冬小麦生长季平均气温与冬小麦穗粒数相关系数为-0.49(达到0.05显著性水平)。试验3冬小麦第1播期,冬小麦生长期间平均气温最高,达到11.2℃,冬小麦穗粒数仅为33.1 粒,试验1第3播期,冬小麦生长季平均气温为9.6℃,穗粒数为43.8粒,平均气温每升高1℃,冬小麦穗粒数减少5.8粒。但平均气温升高,对千粒重影响不显著。

图1 冬小麦生长季平均气温与穗粒数(a)和千粒重(b)的关系Fig.1 Relationship of temperature during growing season of winter wheat to number of grains per ear(a) and 1000-grain weight(b)

2.3 气候变化对冬小麦籽粒品质的影响

小麦籽粒主要由皮层、胚乳和胚等构成,胚约占3%,麸皮占12%,胚乳占85%。胚乳是小麦籽粒的最大部分,主要含有淀粉、蛋白质和脂肪等,麦胚位于小麦籽粒的背面,含有大量人体必需的氨基酸。在粮食作物中,小麦蛋白质含量高,含有人体必需的氨基酸,是人体主要营养来源之一,因此小麦籽粒品质关系着人体健康。

图2是冬小麦生长季平均气温、降水量和日照时数与籽粒淀粉含量的关系。小麦籽粒含有大量淀粉,淀粉约占籽粒重量的60%～68%,是人体主要热量来源。冬小麦徐麦33平均淀粉含量为55.8%,试验2正常播期的淀粉含量最高(61%),试验5第4播期淀粉含量最低(42.4%)。由图2可见。冬小麦籽粒淀粉含量与生长季平均气温和日照时数的相关均不显著,相关系数分别为0.18和0.2,但与生长季降水量相关系数为0.7,达到0.01显著性水平。表明冬小麦徐麦33淀粉含量主要受到降水量影响,气温变化影响小。

图2 冬小麦生长季平均气温(a)、降水量(b)和日照时数(c)与籽粒淀粉含量的关系Fig.2 Relationship of temperature(a),precipitation(b) and sunshine hour(c) during growing season of winter wheat to starch content of grain

居民膳食蛋白质可以通过肉类、豆类和谷物等食物获得,因此高蛋白质含量一直是小麦育种的主要目标。我国冬小麦平均蛋白质含量为12%～15%[36]。冬小麦徐麦33平均蛋白质含量为12.7%,试验1第4播期蛋白质含量最高,达到14.8%,试验3第1播期蛋白质含量最低,为10.9%。图3是冬小麦生长季平均气温、降水量和日照时数与籽粒蛋白质含量的关系。由图3可见,冬小麦籽粒蛋白质含量受生长季平均气温影响显著,相关系数为-0.72,达到0.01显著性水平,生长季平均气温越高,蛋白质含量越低,冬小麦生长季平均气温每升高1℃,蛋白质含量减少1.7%。籽粒蛋白质含量与降水量相关性不大,与日照时数相关系数为0.41,相关不显著。气温对籽粒蛋白质含量的影响主要通过影响根系对氮素的吸收、植株体内蛋白质酶活性和蛋白质降解度、光合及碳水化合物的积累以及组织衰老和籽粒灌浆持续期。气温升高不利于籽粒蛋白质含量的提高。

图3 冬小麦生长季平均气温(a)、降水量(b)和日照时数(c)与籽粒蛋白质含量的关系Fig.3 Relationship of temperature(a),precipitation(b) and sunshine hour(c) during growing season of winter wheat to protein content of grain

冬小麦籽粒含有少量脂肪,徐麦33籽粒脂肪含量平均为1.3%,试验4第2播期脂肪含量最高,为1.6%,试验3第2播期脂肪含量最低,为1.0%。图4是冬小麦生长季平均气温、降水量和日照时数与籽粒脂肪含量的关系。由图4可见,冬小麦籽粒脂肪含量与生长季平均气温的相关系数为-0.52,达到0.05 显著性水平,说明气温升高会导致冬小麦籽粒脂肪含量减少,即气候变暖对冬小麦籽粒脂肪含量为负面影响。降水量和日照时数对冬小麦籽粒脂肪含量影响不大。

图4 冬小麦生长季平均气温(a)、降水量(b)和日照时数(c)与籽粒脂肪含量的关系Fig.4 Relationship of temperature(a),precipitation(b) and sunshine hour(c) during growing season of winter wheat to fat content of grain

续图4

检测2017—2022年每年4个播期冬小麦籽粒样本的16种氨基酸含量,发现气温升高对14种氨基酸有负面影响,其中对天冬氨酸和精氨酸含量的影响最显著(图5)。由图5可见,冬小麦籽粒中天冬氨酸平均含量为3.8‰,冬小麦平均气温与天冬氨酸含量相关系数为-0.57(达到0.01显著性水平),冬小麦籽粒中精氨酸平均含量为4.2‰,平均气温与精氨酸含量相关系数为-0.54(达到0.05显著性水平)。冬小麦籽粒中谷氨酸含量最高,达到3.6‰,平均气温与谷氨酸含量相关系数为-0.35,相关不显著。研究表明:气温升高对冬小麦14种氨基酸含量产生负面影响,气温升高导致这些氨基酸含量减少。

图6是冬小麦热害指数与籽粒蛋白质和脂肪含量的关系。由图6可见,冬小麦开花到成熟期热害指数与冬小麦籽粒中蛋白质含量和脂肪含量均为显著负相关,相关系数分别为-0.43和-0.53,均达到0.05显著性水平。这表明气温升高,特别是冬小麦开花期到成熟期高温频发会影响冬小麦生理生化过程,尤其是限制了冬小麦营养物质(蛋白质和脂肪)的吸收和合成。

图6 冬小麦生长季热害指数与籽粒蛋白质(a)和脂肪(b)含量的关系Fig.6 Relationship of high temperature index during growing season of winter wheat to protein content(a) and fat content(b) of grain

气候变暖导致夜间最低气温升高,图7是冬小麦生长季平均最低气温与籽粒蛋白质和脂肪含量的关系。由图7可见,夜间平均最低气温与冬小麦籽粒蛋白质含量为显著负相关(相关系数为-0.74,达到0.01显著性水平),与籽粒中脂肪含量为显著负相关(相关系数为-0.54,达到0.05显著性水平)。

图7 冬小麦生长季平均最低气温与籽粒蛋白质(a)和脂肪(b)含量的关系Fig.7 Relationship of mean minimum temperature during growing season of winter wheat to protein content(a) and fat content(b) of grain

夜间平均最低气温与16种氨基酸关系(图略)显示,夜间平均最低气温与9种氨基酸呈负相关,包括谷氨酸(相关系数为-0.62,达到0.01显著性水平)、丝氨酸(相关系数为-0.44,达到0.05显著性水平)、组氨酸(相关系数为-0.52,达到0.05显著性水平)、苏氨酸(相关系数为-0.42,达到0.05显著性水平)、丙氨酸(相关系数为-0.44,达到0.05显著性水平)和异亮氨酸(相关系数为-0.55,达到0.01显著性水平)。揭示了夜间最低气温升高,冬小麦呼吸作用加强,不利于冬小麦同化作用和有机物(蛋白质、脂肪和氨基酸)的积累。

3 结 论

本文利用2017—2022年江苏徐州农业气象试验站大田科学试验数据,研究遗传特性、土壤物理化学性质(同一块大田)和管理措施(灌溉、施肥等)相同条件下,气候变暖对半冬性冬小麦徐麦33产量和品质的影响,得到以下主要结论:

1) 不同播期冬小麦生长季内平均气温升高0.1～1.7℃,降水量差异小,第1播期日照时数较多,其他播期持续下降。

2) 平均气温升高对冬小麦千粒重影响不明显,但与冬小麦穗粒数呈显著负相关,平均气温每升高1℃,冬小麦穗粒数减少14.7%。气候变暖导致冬小麦穗粒数减少,造成减产。

3) 气温升高对籽粒品质造成不利影响,气温升高对籽粒蛋白质、脂肪和氨基酸含量为负面影响。平均气温与籽粒蛋白质含量相关系数为-0.72(达到0.01 显著性水平),与脂肪含量相关系数为-0.52(达到0.05显著性水平)。此外,气温升高对16种氨基酸中的14种存在负面影响,其中对天冬氨酸和精氨酸含量负面影响显著。气候变暖导致夜间最低气温升高,冬小麦呼吸作用加强,不利于冬小麦同化和有机物积累。同时,气候变暖导致高温热害增多,影响冬小麦生理生化过程,抑制脂肪和蛋白质的吸收与合成。

本研究结论基于2017—2022年江苏徐州农业气象试验站的大田科学试验,且试验品种仅限于徐麦33,如果试验期限更长、样本更多,并采用其他冬小麦品种,研究结论将更具普适性。